STEM教育理念与跨学科整合模式

摘要：随着创客日益受到社会关注，开展创客教育已成为教育界讨论并实践的热点。创客教育不能滑入到在中小学推广创造发明的歧途，而应是推进跨学科知识融合的STEM教育，在帮助学生打好扎实的科学、技术、工程和数学知识的基础之上，培养学生创新精神与实践能力，促进创新型、创业型人才的成长。本文阐述了STEM教育的跨学科、趣味性、体验性、情境性、协作性、设计性、艺术性、实证性、技术增强性九个核心理念，介绍了相关课程、广域课程两种跨学科整合模式，分析了三种跨学科整合的取向：学科知识整合取向、生活经验整合取向、学习者中心整合取向，并提出了跨学科整合的项目设计模式。关键词：STEM教育；跨学科整合；课程整合模式；整合性课程；创客教育李克强总理在2015年政府工作报告中指出，要推动大众创业、万众创新，并亲身探访深圳柴火创客空间，国务院办公厅随后印发《关于发展众创空间推进大众创新创业的指导意见》。随着“创客”风靡全国，开展创客教育也成为教育工作者热烈讨论的话题。但很多人对创客教育的理解存在一定误区。创客教育不是一味鼓励学生荒废学业、不切实际地去搞创造发明、创业，而是强调创客的兴趣驱动、动手实践、创意创新的核心品质，推进跨学科知识融合的STEM教育，在帮助学生打好扎实的科学、技术、工程和数学知识基础之上，培养其创新精神与实践能力，促进创新型、创业型人才的成长。一、STEM教育及其发展STEM是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）四门学科的简称，强调多学科的交叉融合。STEM教育并不是科学、技术、工程和数学教育的简单叠加，而是要将四门学科内容组合形成有机整体，以更好地培养学生的创新精神与实践能力。STEM教育（STEMEducation）源于美国。美国科学教育学者最早于20世纪50年代提出科学素养概念，并得到了其他国家科学教育学者的普遍认同，认为提高国民的科学素养是提升国家综合实力的关键。这与20世纪前半叶科学的迅猛发展是分不开的：那时科学在公众心中是万能的，科学被认为是社会发展进步的不竭动力。随着科学知识体系的相对稳定，以及技术和工程给生活带来的翻天覆地的变化，技术素养等因此进入公众视野。例如，斯坦福大学赫德教授1975年指出：“技术素养与科学素养应当并列成为科学教学的主要目标”（Hurd，1975）。到20世纪90年代，美国国家科学基金会首次使用STEM描述涉及一至多门STEM学科的事件、政策、项目或实践（Byhee，2010）。在此之前，常见的缩写是SMET，即科学（Science）、数学（Mathematics）、工程（Engineering）和技术（Technology）。例如，1986年，美国国家科学委员会发布《本科科学、数学和工程教育》报告，首次明确提出“科学、数学、工程和技术教育集成”的纲领性建议，SMET因而被视为STEM集成的开端（朱学彦等，2008）。2001年后，STEM逐渐取代SMET，成为四门学科的统称。在小布什两届任期内，STEM作为新概念不断出现在美国各种改革政策和项目甚至法律中（赵中建，2012）。例如，2007年8月，美国国会通过《国家竞争力法》，批准2008年到2010年间为联邦层次的STEM研究和教育计划投资433亿美元；同年10月，美国国家科学委员会发布报告《国家行动计划：应对美国科学、技术、工程和数学教育系统的紧急需要》，警示美国时刻不忘加强对学生开展STEM教育。奥巴马总统执政之后，对STEM教育的重视提升到新的层次。上任初，他便颁布了《美国振兴及投资法案》，将增加财政投入支持STEM教育写进法案；第一任期内，奥巴马先后宣布实施“竞争卓越计划”“为创新而教计划”以及“新科技教育十年计划”等，不断加大对STEM教育发展的关注度与投入力度，对确保美国国际竞争力产生了深远影响；2014年，白宫和美国教育部提出STEM国家人才培育策略，针对中小学STEM教育提出实现各州STEM创新网络合作、培训优秀STEM教师、建立STEM专家教师团、资助STEM重点学校和增加STEM科研投入等切实、具体的规划，受到世界的广泛关注（杨光富，2014）。值得注意的是，美国STEM教育的推广不是在政府指导下单纯依靠学校推动，而是动员了全社会特别是企业界的力量。正如奥巴马总统指出的：“国家的成功取决于美国在世界创新中的作用，所有首席执行官都应该知道公司的未来取决于下一代员工的创新能力，而这又取决于今天我们怎么教育学生——尤其是在STEM方面。我们的成功不能单靠政府的支撑，还要依赖于教师、家长、企业、非营利机构和更广泛的社区等”（Sabochik，2010）。在美国，盖茨基金会和纽约卡内基公司支持一百多位企业CEO创建“变革方程”公益机构。他们通过利用资金、独特的资源和影响力试图（钟柏昌等，2014）：1）促进STEM公益教育事业；2）激励青少年学习STEM；3）推动基于STEM的教育改革。同样，英国为了促进企业职工参与学校的STEM教育，仅2009-2010学年就花费约1300万英镑专项经费（其中，国家级机构投入约700万英镑；各地相关机构投入约200万英镑；企业投入约400万英镑）（Mann，2012）。从教育目标来说，STEM教育的基本目标是培养学生的STEM素养。美国州长协会（NationalGovernorsAssociation）2007年颁布的“创新美国：拟定科学、技术、工程与数学议程（InnovationAmerica：BuildingaScience，Technology，EngineeringandMathAgenda）”共同纲领中指出，在知识经济时代，只有具备STEM素养的人才能在激烈竞争中取得先机，赢得胜利。他们认为，STEM素养是个体在科学、技术、工程和数学领域以及相关交叉领域中运用个人关于现实世界运行方式的知识的能力（秦炜炜，2007）。显而易见，STEM素养包含了科学素养、技术素养、工程素养和数学素养，同时又不是四者的简单组合：它包含运用这四门学科的相关能力、把学习到的零碎知识与机械过程转变成探究真实世界相互联系的不同侧面的综合能力。STEM作为一个有机整体，有其独特的内涵与特征。二、STEM教育的核心特征STEM教育中四门学科的教学必须紧密相连，以整合的教学方式培养学生掌握知识和技能，并能进行灵活迁移应用解决真实世界的问题。融合的STEM教育具备新的核心特征：跨学科、趣味性、体验性、情境性、协作性、设计性、艺术性、实证性和技术增强性等。（一）跨学科将知识按学科进行划分，对于科学研究、深入探究自然现象的奥秘和将知识划分为易于教授的模块有所助益，但并不反映我们生活世界的真实性和趣味性（Morrison，2009）。因此，分科教学（如物理、化学）在科学、技术和工程高度发达的今天已显出很大弊端。针对这一问题，理工科教育出现了取消分科、进行整合教育的趋势。STEM教育因此应运而生，跨学科性是它最重要的核心特征。美国学者艾布特斯（Abts）使用“元学科”（meta-discipline）描述STEM，即表示它是代表科学、技术、工程和数学等学科的统整的知识领域，它们存在于真实世界中，彼此不可或缺、互相联系（Morrison，2006）。跨学科意味着教育工作者在STEM教育中，不再将重点放在某个特定学科或者过于关注学科界限，而是将重心放在特定问题上，强调利用科学、技术、工程或数学等学科相互关联的知识解决问题，实现跨越学科界限、从多学科知识综合应用的角度提高学生解决实际问题的能力的教育目标。（二）趣味性STEM教育在实施过程中要把多学科知识融于有趣、具有挑战性、与学生生活相关的问题中，问题和活动的设计要能激发学习者内在的学习动机，问题的解决要能让学生有成就感，因此需有趣味性。STEM教育强调分享、创造，强调让学生体验和获得分享中的快乐感与创造中的成就感。有的项目还把STEM教育内容游戏化（将游戏的元素、方法和框架融于教育场景），因为将基于探索和目标导向的学习嵌入游戏中，有利于发展学习者的团队技能、教授交叉课程概念和负责的科学内容主题，可以得到更多、更理想的教育产出（Johnsonetal.，2013）。例如，芬兰大学和美国北伊利诺伊大学合作成立了Finnish-US，在K-16阶段开展基于游戏的STEM教育（见网址：go.nmc.org/fins）。（三）体验性STEM教育不仅主张通过自学或教师讲授习得抽象知识，更强调学生动手、动脑，参与学习过程。STEM提供了学生动手做的学习体验，学生应用所学的数学和科学知识应对现实世界问题，创造、设计、建构、发现、合作并解决问题。因此，STEM教育具有体验性特征，学生在参与、体验获得知识的过程中，不仅获得结果性知识，还习得蕴含在项目问题解决过程中的过程性知识。这种在参与、体验中习得知识的方式对学生今后的工作和生活的长远发展会产生深刻影响。例如，我国台湾学者赖恩莹等利用乐高作为模组教具培养学生有关齿轮、力矩等工程概念（Lai，Zhang&Wang，2012）。学生通过搭建乐高组件测试相关原理，不仅可以了解物理概念与知识，还在工程设计体验中感受到这些知识的重要作用，将抽象的知识与实际生活连接起来，很好地体现了STEM教育的体验性特征。（四）情境性STEM教育具有情境性特征，它不是教授学生孤立、抽象的学科知识，而强调把知识还原于丰富的生活，结合生活中有趣、挑战的问题，通过学生的问题解决完成教学。STEM教育强调让学生获得将知识进行情境化应用的能力，同时能够理解和辨识不同情境的知识表现，即能够根据知识所处背景信息联系上下文辨识问题本质并灵活解决问题。STEM教育强调知识是学习者通过学习环境互动建构的产物，而非来自于外部的灌输。情境是STEM教育重要而有意义的组成部分，学习受具体情境的影响，情境不同，学习也不同。只有当学习镶嵌在运用该知识的情境之中，有意义的学习才可能发生。教师在设计STEM教育项目时，项目的问题一方面要基于真实的生活情景，另一方面又要蕴含着所要教的结构化知识。这样，学生在解决问题的过程中，不仅能获得知识，还能获得知识的社会性、情境性及迁移运用的能力。情境性问题的解决，可以让学生体验真实的生活，获得社会性成长。（五）协作性STEM教育具有协作性，强调在群体协同中相互帮助、相互启发，进行群体性知识建构。STEM教育中的问题往往是真实的，真实任务的解决离不开其他同学、教师或专家的合作。在完成任务的过程中，学生需要与他人交流和讨论。建构主义指出，学习环境的四大要素包括“情境”“协作”“会话”和“意义建构”（何克抗，1997）。STEM教育的协作性就是要求学习环境的设计要包括“协作”和“会话”两要素：让学生以小组为单位，共同搜集和分析学习资料、提出和验证假设、评价学习成果；同时，学习者通过会话商讨如何完成规定的学习任务。需指出的是，小组学习最后的评价环节以小组成员的共同表现为参考，而不是根据个人的表现进行独立评价。（六）设计性STEM教育要求学习产出环节包含设计作品，通过设计促进知识的融合与迁移运用，通过作品外化学习的结果、外显习得的知识和能力。设计出创意作品是获得成就感的重要方式，也是维持和激发学习动机、保持学习好奇心的重要途径。因此，设计是STEM教育取得成功的关键因素。美国学者莫里森认为，设计是认知建构的过程，也是学习产生的条件（Morrison，2005）。学生通过设计可以更好地理解完成了的工作，从而解决开放性问题。在这个过程中，学生学习知识、锻炼能力、提高STEM素养，因此设计性是STEM教育的又一核心特征。科学在于认识世界，解释自然界的客观规律，技术和工程则是在尊重自然规律的基础上改造世界，实现对自然界的控制和利用，解决社会发展过程中遇到的难题。按照科学和数学的规律开展设计实践是科学、数学、技术与工程整合的重要途径。（七）艺术性也有人提出STEAM的概念，强调在STEM中加入“Art”学科。这个“A”狭义上指美术、音乐等，广义上则包括美术、音乐、社会、语言等人文艺术，实际代表了STEM